相較于常規(guī)修復(fù)技術(shù),激光熔覆沉積技術(shù)具有修復(fù)精度高、對基體的熱影響和熱輸入小、沉積材料組織性能優(yōu)良、界面結(jié)合強度高等優(yōu)點,近年來逐漸成為零件再制造領(lǐng)域研究及發(fā)展的重點。對受損葉片盤外形及使用性能的恢復(fù)是實現(xiàn)對其高質(zhì)量修復(fù)的必要條件,結(jié)合某一型號TC11鈦合金壓氣機整體葉片盤的修復(fù)需要,論文對激光熔覆沉積過程中熔覆層外形尺寸控制、沉積材料及界面熱影響區(qū)組織性能控制等基礎(chǔ)問題展開研究。為提高壓氣機葉盤的氣動效率,葉片普遍被設(shè)計成扭轉(zhuǎn)的自由曲面輪廓,為精確恢復(fù)此類斷裂葉片的幾何外形,需嚴格依據(jù)待修復(fù)區(qū)域的高度來制定熔覆掃描軌跡,因此對熔覆層的形狀特征參數(shù)的控制及預(yù)測成為恢復(fù)葉片外形亟需解決的基礎(chǔ)問題。論文將側(cè)向送粉式激光熔覆沉積過程中單層單道熔覆層的橫截面面積作為研究的目標(biāo)控制參量,在此方面完成的工作及結(jié)論簡述如下：

　　(1)通過定義粉末輸送效率(即粉末流場中送入熔池的粉末粒子占所有輸送粉末的質(zhì)量比例),依據(jù)質(zhì)量守恒定律,分別建立“圓柱”及高斯型流場下的粉末輸送模型,推導(dǎo)粉末輸送效率的解析式,并據(jù)此計算了不同工藝參數(shù)(激光功率、掃描速度、送粉率)組合下該目標(biāo)參量的理論預(yù)測值。修正后的理論值雖然較實驗測量結(jié)果偏大,但能夠真實反映出工藝參數(shù)對熔覆層橫截面面積的影響規(guī)律,且高斯型流場的粉末輸送模型更接近于真實物理模型。

　　(2)基于高斯型粉末流場,利用平面向量的兒何關(guān)系進一步推導(dǎo)數(shù)學(xué)模型,可計算任意送粉條件參數(shù)(離焦距離、送粉角度、熔池寬度)調(diào)整后的粉末輸送效率。影響零件使用性能的一個重要因素是材料內(nèi)部的組織特征。激光熔覆沉積修復(fù)后,TC11鈦合金葉片的組織分布為：沉積仿形區(qū)的魏氏組織、熱影響區(qū)呈過渡演變的混合組織及葉片基材的等軸組織。為提高修復(fù)葉片的服役壽命,論文針對薄壁零件在沉積區(qū)和熱影響區(qū)組織特征的控制問題展開了實驗及理論研究,分別將初生p晶粒尺寸、晶內(nèi)單個片層α相厚度(針對仿形區(qū)激光熔覆沉積材料),和等軸α相的分布(針對熱影響區(qū)材料)作為目標(biāo)控制參量,在此方面獲得的結(jié)論簡述如下：

　　(1)實驗研究表明降低激光功率或增加掃描速度可以減小初生β晶粒尺寸；增大激光功率、掃描速度、層間停留時間可以細化晶內(nèi)片層α相。在理論研究方面,對比分析了不同工藝條件下的溫度場特征參數(shù)(峰值溫度、β相變點以上的持續(xù)時間、固液界面處的溫度梯度、β相變點以下的冷卻速度),工藝參數(shù)對目標(biāo)參量影響規(guī)律的理論預(yù)測與實驗結(jié)果能夠很好吻合,表明依據(jù)該理論分析方法調(diào)整工藝參數(shù),可以實現(xiàn)對TC11鈦合金激光熔覆沉積組織的控制。

　　(2)實驗研究表明降低激光功率、增加掃描速度或?qū)娱g停留時間能夠減弱基材等軸α相的擴散轉(zhuǎn)變,減小熱影響區(qū)面積。在理論研究方面,基于修正后的JMA方程,遞推出描述激光熔覆沉積復(fù)雜熱歷史過程的擴散相變模型,計算了不同工藝條件下基材熱影響區(qū)等軸α相的分布情況；依據(jù)此模型,認為溫升階段的升溫時間、峰值溫度均與等軸相的轉(zhuǎn)變量呈正相關(guān),并基于對熱影響區(qū)溫度場的分析,獲得了工藝參數(shù)對基材目標(biāo)控制參量的影響規(guī)律,該理論預(yù)測能與實驗結(jié)果相一致,因此可將此模型作為鍛態(tài)薄壁基材熱影響區(qū)組織控制的理論依據(jù)。結(jié)合上述基礎(chǔ)研究成果,確定出優(yōu)化的激光熔覆沉積修復(fù)工藝,成功實現(xiàn)對某受損TC11鈦合金整體葉片盤的高質(zhì)量修復(fù)。